JP2016195359A - 弾性表面波素子およびそれを用いた物理量センサ - Google Patents

Abstract

【課題】圧電薄膜を用いたＳＡＷ素子において、さらなる利得の向上を図る。
【解決手段】ＳＡＷ素子１を備えた物理量センサにおいて、圧電薄膜２ｂを構成する材料の結晶のｃ軸を圧電薄膜２ｂの表面に対する法線方向に対して所定の傾斜角で傾斜させている。そして、ＩＤＴ３におけるＳＡＷの伝播方向Ａ１が圧電薄膜２ｂのｃ軸の傾斜方向Ａ２側を向けられるようにしている。具体的には、圧電薄膜２ｂの表面の法線方向に対する圧電薄膜２ｂのｃ軸の傾斜角が１．５°以上とされ、ＳＡＷの伝播方向Ａ１と傾斜方向Ａ２のなす角度Δθが６０°以下（｜Δθ｜≦６０°）となるように、ＩＤＴ３のレイアウトが決められている。
【選択図】図５

Description

本発明は、弾性表面波素子およびそれを用いた物理量センサに関するものである。

従来より、弾性表面波（以下、ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）という）素子を用いた物理量センサがある。例えば、ＳＡＷ素子を用いた物理量センサは、サファイア基板上に圧電薄膜を形成した基板の上に、２つの櫛形の電極を組み合わせたストライプ状の櫛形電極（以下、ＩＤＴ（Inter Digital Transducer）という）で構成された入力電極を用いてＳＡＷを発生させる。入力電極から発生させられたＳＡＷは、伝播路に出力され、伝播路を挟んでＳＡＷと反対側に配置されるＩＤＴにて構成された出力電極に伝えられ、出力電極で受け取ったときに出力される信号を出力信号として、印加された物理量を検出する。

または、ＳＡＷ素子を用いた物理量センサは、入力電極および出力電極を構成するＩＤＴと、伝播路を挟んでＩＤＴと反対側にＩＤＴと対向配置されたストライプ状の反射器とを有した構成とされる。このように構成される物理量センサでは、ＩＤＴの各電極に入力信号を入力し、そのときに発生させられるＳＡＷが反射器で反射されて反射波が発生させられ、それが再びＩＤＴに戻ってくる。これに基づいて、ＩＤＴから出力信号が出力されることで、印加された物理量を検出する。

すなわち、物理量に基づく歪みによって入力電極と出力電極の間、もしくは、入力電極および出力電極を構成するＩＤＴと反射器との間の距離が変化すると、入力電圧が発したＳＡＷが出力電極に伝わるまでに掛かる時間が変化する。このため、入力信号を入力してから出力信号が発生させられるまでの間の時間間隔である遅延時間に基づいて、発生している物理量を検出することができる。

このようなＳＡＷ素子を用いた物理量センサにおいて、ＳｃＡｌＮ薄膜のような圧電薄膜は、圧電定数が高く、高温でも機能するため、高温動作するセンサデバイスの材料として検討されている（非特許文献１参照）。

Ultrasonics Symposium (IUS), 2012 IEEE International, A.Teshigahara, K.Hashimoto, and M.Akiyama, "Scandium Aluminum Nitride: Highly Piezoelectric Thin Film for RF SAW Devices in Multi GHz Range,"Proc. IEEE Ultrason. Symp. (2012) pp. 1917-1921

しかしながら、ＳｃＡｌＮ薄膜などの圧電薄膜を用いた物理量センサにおいて、さらなる利得の向上が望まれている。

なお、ここではＳＡＷ素子が備えられるものの一例として物理量センサを例に挙げたが、利得が向上させられるＳＡＷ素子が要望されている。また、ＳＡＷ素子が備えられるものとしては、物理量センサに限らず、他のもの、例えばフィルタなどについても、ＳＡＷ素子の利得向上が望まれている。

本発明は上記点に鑑みて、圧電薄膜を用いたＳＡＷ素子において、さらなる利得の向上を図ることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、圧電材料で構成される圧電薄膜（２ｂ）が形成された基板（２）と、圧電薄膜の表面上において、圧電薄膜の表面内における一方向に延設された互いに平行な歯を有する２つの櫛形電極（３ａ、３ｂ）を、２つの櫛形電極それぞれの歯が交互に並ぶように対向して配置することにより構成され、入力信号が入力されると圧電薄膜の圧電効果に基づいて所定波長の弾性表面波を励起させ、圧電薄膜に備えられる伝播路に伝播させる入力電極（３）と、伝播路を通じて伝播された弾性表面波を検知し、出力信号を発生させる出力電極（３、２０）と、を有するＳＡＷ素子であって、圧電薄膜の表面に対して該圧電薄膜のｃ軸が該圧電薄膜の表面の法線方向に対して所定の傾斜角で傾斜させられており、弾性表面波の伝播方向が圧電薄膜のｃ軸の傾斜方向に向けられていることを特徴としている。

このように、ＳＡＷ素子において、圧電薄膜を構成する材料の結晶のｃ軸を圧電薄膜の表面に対する法線方向に対して所定の傾斜角で傾斜させている。そして、ＩＤＴにおけるＳＡＷの伝播方向が圧電薄膜のｃ軸の傾斜方向側を向けられるようにしている。これにより、利得向上を図ることが可能となる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。

本発明の第１実施形態にかかるＳＡＷ素子１を有する物理量センサの上面レイアウト図である。 図１のII−II断面図である。 圧電薄膜２ｂのｃ軸について説明した断面図である。 サファイア基板２ａの結晶性と圧電薄膜２ｂのｃ軸との関係について説明した図である。 （ａ）、（ｂ）は、ＳＡＷの伝播方向Ａ１と圧電薄膜２ｂのｃ軸の傾斜方向Ａ２との関係を示した図である。 圧電薄膜２ｂのｃ軸の傾斜方向に対してＳＡＷの伝播方向を変え、入力信号に対する出力信号の減衰量を測定した図である。 圧電薄膜２ｂのｃ軸の傾斜角を変化させた場合の減衰量の変化を調べた図である。 本発明の第２実施形態にかかるＳＡＷ素子１を有する物理量センサの断面図である。 図８に示すＳＡＷ素子１の製造工程を示した断面図である。 本発明の第３実施形態にかかるＳＡＷ素子１を有する物理量センサの断面図である。 図１０に示すＳＡＷ素子１の製造工程の一部を示した断面図である。 本発明の第４実施形態にかかるＳＡＷ素子１を有する物理量センサを製造する際のウェハ状態様子を示した上面レイアウト図である。 本発明の第５実施形態にかかるＳＡＷ素子１の製造工程の一部を示した断面図である。 本発明の第６実施形態にかかるＳＡＷ素子１の製造工程の一部を示した断面図である。 他の実施形態で説明するＳＡＷ素子１を有する物理量センサの上面レイアウト図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図１〜図７を用いて説明する。まず、本実施形態のＳＡＷ素子１の構成について説明する。ここでは、トルク検出を行うトルクセンサにＳＡＷ素子１を適用する場合を例に挙げて説明するが、ＳＡＷ素子１を圧力センサなどの他の物理量を検出するセンサとして用いることもできる。

ＳＡＷ素子１は、図１および図２に示すように基板２の表面上にＩＤＴ３と反射器４を備えた構成とされている。また、ＳＡＷ素子１は、外部の装置として、制御装置５に接続されており、この制御装置５によって制御されることでトルク検出を行っている。

基板２は、例えばサファイア基板２ａの上に圧電薄膜２ｂを形成した平板状のもので構成されている。本実施形態の場合、サファイア基板２ａとして、表面がｃ面のもの、つまりその表面に対する法線方向がｃ軸とされているものを用いている。圧電薄膜２ｂとしては、例えば圧電定数が高く、高温でも機能するＳｃＡｌＮ薄膜が用いられており、例えば２μｍの膜厚とされている。本実施形態では、サファイア基板２ａの表面は平坦面とされており、表面と裏面が平行とされている。同様に、圧電薄膜２ｂの表面も平坦面とされ、サファイア基板２ａと反対側となる表面とサファイア基板２ａ側となる裏面が平行とされている。

圧電薄膜２ｂについては、図３に示すように、圧電薄膜２ｂを構成する材料（ここではＳｃＡｌＮ）の結晶のｃ軸がサファイア基板２ａの表面や圧電薄膜２ｂの表面に対する法線方向に対して所定の傾斜角で傾斜させられるように結晶性が制御されている。具体的には、圧電薄膜２ｂの表面の法線方向に対する圧電薄膜２ｂのｃ軸の傾斜角が１．５°以上となるように結晶性を制御してある。

ＩＤＴ３は、入力信号に基づいてＳＡＷを発生させる入力電極に相当するものであり、本実施形態の場合は出力電極の役割も果たす。ＩＤＴ３は、図１に示すように、対向する２つの櫛形電極３ａ、３ｂの各歯が互いに平行かつ交互に並ぶように配置されている。各櫛形電極の歯は互いに平行に並べられ、本実施形態の場合は、ＩＤＴ３を構成する櫛形電極３ａ、３ｂの歯のピッチを例えばλ／２で一定としているが、各歯のピッチについては任意に設定可能である。なお、λは本実施形態において使用するＳＡＷの波長である。

また、ＩＤＴ３は、反射器４で反射してきたＳＡＷの反射波に基づいて出力電圧を発生させる。例えば、反射波に基づいて圧電薄膜２ｂのうちのＩＤＴ３が形成された部分の表面が反射波によって変形し、ＩＤＴ３の櫛形電極３ａ、３ｂ間に圧電効果による電位差もしくは電荷が発生することから、ＩＤＴ３は、それを出力信号として制御装置５に出力する。これにより、ＩＤＴ３は出力電極としての役割を果たす。

ここで、本実施形態では、ＩＤＴ３におけるＳＡＷの伝播方向Ａ１、つまりＩＤＴ３および反射器４の配列方向が圧電薄膜２ｂのｃ軸の傾斜方向Ａ２側を向けられるようにしている。換言すれば、図４に示すように、ＳＡＷの伝播方向Ａ１がサファイア基板２ａのａ軸のうちｃ軸の傾斜方向Ａ２と対応するａ軸を向くようにしている。例えば、サファイア基板２ａのｃ軸に対して圧電薄膜２ｂのｃ軸が図に示した方向に傾斜している場合には、ａ２軸の方向に向くように伝播方向Ａ１が設定されている。ここでいう「向くように」とは、その方向に角度ずれなく向くという意味ではなく、ある角度範囲内に収まるように向くことを意味している。具体的には、図５（ａ）および図５（ｂ）に示されるように、伝播方向Ａ１と傾斜方向Ａ２のなす角度Δθが６０°以下（｜Δθ｜≦６０°）となるように、ＩＤＴ３のレイアウトが決められている。

各櫛形電極３ａ、３ｂはそれぞれ制御装置５と接続するための配線や端子に接続されており、これらを通じて制御装置５からの入力信号の入力や、制御装置５への出力信号の出力が為される。そして、制御装置５から入力信号が入力されることに基づき、ＩＤＴ３は、各櫛形電極３ａ、３ｂの間に発生する電位差および基板２の圧電効果による励起によりＳＡＷを発生させ、伝播路および反射器４側に伝播させる。

反射器４は、ＩＤＴ３から伝播されるＳＡＷの伝播方向に対して垂直に延設された複数の突起状構造部によって構成されるもので、伝播されてきたＳＡＷを反射し、反射波を発生させてＩＤＴ３側に伝える。本実施形態では、ＩＤＴ３の櫛形電極３ａ、３ｂを構成する電極材料によって反射器４を構成している。

反射器４は、図２に示す断面（基板２の表面に対する法線方向およびＳＡＷの伝播方向に対する平行断面）が長方形とされている。また、本実施形態では、反射器４は、複数の突起状構造部が等間隔に平行に並べられ、ＩＤＴ３の各櫛形電極３ａ、３ｂの歯と対向して配置されている。各突起状構造部のピッチは、例えばＩＤＴ３を構成する櫛形電極の歯のピッチと同じとされている。なお、櫛形電極３ａの各歯と櫛形電極３ｂの各歯の間の間隔は、上記したように、λ／２とされている。

なお、ＩＤＴ３や反射器４については、例えばアルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）などの電極材料によって形成され、本実施形態の場合、２０ｎｍの厚みのクロム（Ｃｒ）の上に７０ｎｍの厚みの金（Ａｕ）を積層した構造とされている。

制御装置５は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路などで構成されるものであり、ＩＤＴ３に対して入力信号を入力すると共に、ＩＤＴ３の出力信号に基づいて物理量としてトルク検出を行う。具体的には、制御装置５は、ＩＤＴ３への入力信号、例えば各櫛形電極３ａ、３ｂの間にパルス状の電位差を発生させる信号を入力することで、圧電効果に基づいてＳＡＷを発生させる。これにより、反射器４から反射波が伝播され、その反射波に基づいて圧電効果によりＩＤＴ３の各櫛形電極３ａ、３ｂの間に電位差あるいは電荷が発生することから、制御装置５は、それを検出することで反射波が返って来たタイミングを検出する。そして、制御装置５は、ＳＡＷを発生させてから反射波が返って来るまでの間を遅延時間として、この遅延時間の測定を行う。印加されるトルクによってＩＤＴ３と反射器４との間の距離が変化し、この距離の変化によって遅延時間が変化することから、遅延時間を測定することで、トルクを検出することができる。

このような構造により、本実施形態にかかるＳＡＷ素子１が構成されている。このように構成されるＳＡＷ素子１は、例えば、車両のエンジンにおけるクランク軸近辺に配置されるトルクセンサとして用いられ、クランク軸に掛かるトルクに基づいて基板２が変形することを利用して、トルク検出を行う。

つぎに、ＳＡＷ素子１の動作について説明する。

まず、制御装置５がＩＤＴ３の２つの櫛形電極３ａ、３ｂに対して入力信号を入力、例えば櫛形電極３ａ、３ｂ間に電位差を発生させると、櫛形電極３ａ、３ｂを通して基板２に電位差が発生する。これにより、基板２のうちＩＤＴ３が形成された部分の表面において、圧電効果によるＳＡＷが発生する。入力信号としては、ＳＡＷのモードがセザワ波（２次モード）となる信号を用いており、より利得が高くなるモードとしている。

そして、ＳＡＷは基板２の表面のうちＩＤＴ３と反射器４との間の伝播路を通じて伝播され、反射器４に到達する。その後、反射器４で反射されて、反射波としてＩＤＴ３に返って来る。この反射波に基づいて、基板２のうちのＩＤＴ３が形成された部分の表面が反射波によって変形し、ＩＤＴ３の櫛形電極３ａ、３ｂ間に圧電効果による電位差が発生する。

この電位差が出力信号として制御装置５に出力され、制御装置５は、ＩＤＴ３に入力信号を入力してから、ＩＤＴ３から出力信号が出力されるまでの遅延時間を測定する。

ＳＡＷ素子１がこのような動作をしているときに、基板２がクランク軸に加わるトルクに基づいて歪むと、ＳＡＷの伝播路の長さが変化し、ＳＡＷがＩＤＴ３から反射器４で反射してＩＤＴ３に戻ってくるまでの遅延時間が変化する。この遅延時間の測定結果に基づいて、制御装置５は、ＲＯＭ等の記憶領域に記憶された遅延時間とトルクとの関係をもとに、測定した遅延時間からトルクを検出する。

以上のような構成および動作を行うＳＡＷ素子１を備えた物理量センサにおいて、圧電薄膜２ｂを構成する材料（ここではＳｃＡｌＮ）の結晶のｃ軸を圧電薄膜２ｂの表面に対する法線方向に対して所定の傾斜角で傾斜させている。そして、ＩＤＴ３におけるＳＡＷの伝播方向Ａ１が圧電薄膜２ｂのｃ軸の傾斜方向Ａ２側を向けられるようにしている。具体的には、圧電薄膜２ｂの表面の法線方向に対する圧電薄膜２ｂのｃ軸の傾斜角が１．５°以上とされ、ＳＡＷの伝播方向Ａ１と傾斜方向Ａ２のなす角度Δθが６０°以下（｜Δθ｜≦６０°）となるように、ＩＤＴ３のレイアウトが決められている。

このように、ＳＡＷ１の伝播方向Ａ１が圧電薄膜２ｂのｃ軸の傾斜方向Ａ２に向けられることで、利得向上を図ることが可能となる。図６は、圧電薄膜２ｂのｃ軸の傾斜方向に対してＳＡＷの伝播方向を変えたデバイスを作成し、セザワ波を用いて入力信号に対する出力信号の減衰量を測定することで利得の変化を調べた結果を示している。ここでは、圧電薄膜２ｂのｃ軸の傾斜角を０．１°と４．６°とした場合について図示してあり、Δθを３０°間隔で変化させて減衰量を調べた。なお、図６では、図５（ｂ）に示したようなｃ軸の傾斜方向Ａ２に対して伝播方向Ａ１が時計回りにずれている場合を正の角度、反時計周りにずれている場合を負の角度として示してある。

この図から判るように、ｃ軸の傾斜方向Ａ２と伝播方向Ａ１とが一致している場合（Δθ＝０）の場合に最も減衰量が小さくなっており、利得が高くなっている。そして、ｃ軸の傾斜方向Ａ２に対して伝播方向Ａ１のなす角度Δθが６０°以下（｜Δθ｜≦６０°）の範囲内においては減衰量が小さく、その範囲を外れると減衰量が大きくなり（−１５以下）、利得が低くなっている。減衰量の変化は、角度Δθがプラスマイナスいずれの角度であっても同様となる。すなわち、圧電薄膜２ｂの下地の対称性（サファイア基板２ａの対称性）に基づいて圧電薄膜２ｂの結晶性も対称性を有することになり、減衰量についても対称的になる。

これらのことから、ＳＡＷの伝播方向Ａ１がｃ軸の傾斜方向Ａ２に向くようにすることで、利得を向上させることが可能になる。そして、ＳＡＷの伝播方向Ａ１をｃ軸の傾斜方向Ａ２に向ける角度としては、両方向が一致するのが最も好ましく、両者のなす角度Δθが６０°以下（｜Δθ｜≦６０°）の範囲内であれば、好適に利得向上を図ることが可能となる。

また、図６に示されるように、利得（減衰量）については、圧電薄膜２ｂのｃ軸の傾斜角によっても変化する。図７は、ｃ軸の傾斜方向Ａ２に対して伝播方向Ａ１のなす角度Δθを０°と９０°とした場合それぞれについて、圧電薄膜２ｂのｃ軸の傾斜角を変化させた場合の減衰量の変化を調べた図である。この図より、ｃ軸の傾斜方向Ａ２に対して伝播方向Ａ１のなす角度Δθを９０°とした場合にはｃ軸の傾斜角が変化しても減衰量は殆ど変化していないが、角度Δθを０°とした場合にはｃ軸の傾斜角が変化すると減衰量が変化する。具体的には、角度Δθを０°とした場合には、ｃ軸の傾斜角が大きくなるほど減衰量が小さくなり、ｃ軸の傾斜角が１．５°以上になると、角度Δθが９０°の場合よりも大きくなり、さらにｃ軸の傾斜角が大きくなるほど減衰量が小さくなって、より利得が向上する。

このように、圧電薄膜２ｂのｃ軸の傾斜角を１．５°以上にすることで、さらに利得の向上を図ることが可能となる。

なお、本実施形態のように構成されるＳＡＷ素子１を備えた物理量センサの製造方法については、従来と基本的には変わらず、圧電薄膜２ｂの成膜工程やＩＤＴ３および反射器４を形成する際のパターニング工程を変えるだけで良い。

圧電薄膜２ｂについては、サファイア基板２ａの表面や圧電薄膜２ｂの表面に対してｃ軸が傾斜角を有するように成膜する必要がある。例えば、圧電薄膜２ｂをスパッタリングによって成膜することができる。このとき、スパッタリングのターゲットをサファイア基板２ａの法線方向からずらした位置に配置し、サファイア基板２ａの表面の法線方向に対する斜め方向からスパッタ粒子がサファイア基板２ａに入射されるようにする斜め入射スパッタ法を用いる。このような方法によってスパッタリングを行うと、圧電薄膜２ｂのｃ軸に傾斜角を持たせることができる。そして、例えばスパッタリングのターゲットの位置に応じて、ｃ軸の傾斜角を変えることが可能となる。

また、ＩＤＴ３および反射器４を形成する際のパターニング工程については、ＩＤＴ３からのＳＡＷの伝播方向Ａ１が圧電薄膜２ｂのｃ軸の傾斜方向Ａ２に向くようなマスクを用いたパターニングを行えば良い。すなわち、ＩＤＴ３および反射器４の配列方向がｃ軸の傾斜方向Ａ２を向くレイアウトとなるマスクを用いれば良い。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して圧電薄膜２ｂの構成を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図８に示すように、本実施形態では、圧電薄膜２ｂの表面を傾斜させることで、圧電薄膜２ｂの表面に対する法線方向に対してｃ軸が傾斜角を有するようにしている。具体的には、圧電薄膜２ｂのｃ軸がサファイア基板２ａの表面に対する法線方向と一致しており、圧電薄膜２ｂの表面を傾斜させることで、その表面の法線方向とｃ軸とがずれ、ｃ軸が傾斜角を有した状態となっている。そして、ＳＡＷの伝播方向が圧電薄膜２ｂの表面の傾斜方向（図７の紙面左右方向）を向くようにＩＤＴ３および反射器４を配置している。

このように、圧電薄膜２ｂのｃ軸がサファイア基板２ａの表面に対する法線方向と一致する場合、圧電薄膜２ｂの表面を傾斜させることで圧電薄膜２ｂのｃ軸が傾斜角を持った構造となるようにできる。このような構成としても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

なお、このような構造は、図９に示す製造方法によって製造可能である。具体的には、まず、図９（ａ）に示すように、サファイア基板２ａの上に圧電薄膜２ｂを成膜する。例えば、スパッタリングや蒸着などによって圧電薄膜２ｂを形成することができる。第１実施形態のようにスパッタ粒子が斜め方向に入射されるようにする斜め入射スパッタ法を用いない場合、通常は、下地となるサファイア基板２ａの結晶性が圧電薄膜２ｂにも引き継がれ、サファイア基板２ａの結晶軸に沿って圧電薄膜２ｂが形成される。このため、表面がｃ面のサファイア基板２ａを用いれば、圧電薄膜２ｂのｃ軸がサファイア基板２ａのｃ軸と一致する。この後、圧電薄膜２ｂの表面にレジストなどのマスク１０を配置する。そして、多重露光、グレートーンなどにより、ウェハ状態中に形成される複数のＳＡＷ素子１ごとにマスク１０を１．５°以上傾斜させる。この後、図９（ｂ）に示すように、マスク１０を用いて異方性エッチングを行う。これにより、ＳＡＷ素子１ごとに傾斜させられたマスク１０を用いていることから、図９（ｃ）に示すように圧電薄膜２ｂの表面が傾斜させられ、その傾斜した表面がｃ軸に対して傾斜角を持った状態となる。したがって、この上にＩＤＴ３および反射器４を形成することで、図８に示した本実施形態のＳＡＷ素子１を製造することができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対してサファイア基板２ａの構成を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図１０に示すように、本実施形態では、サファイア基板２ａの表面を傾斜させることで、圧電薄膜２ｂの表面に対してｃ軸が傾斜角を持つようにしている。このような構成としても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

具体的には、サファイア基板２ａの表面を傾斜させる前の状態、つまり裏面に対して表面が平行となっているときには、サファイア基板２ａの表面に対する法線方向がｃ軸と一致している。この状態において、図１１（ａ）に示すようにサファイア基板２ａの表面をエッチングなどによって加工し、１．５°以上傾斜させる。例えば、第２実施形態で説明した図９（ｂ）で用いたマスク１０と同様のマスクを用いたエッチングを行うことで、サファイア基板２ａの表面を傾斜させることができる。

その後、図１１（ｂ）に示すようにサファイア基板２ａの表面に圧電薄膜２ｂを成膜する。このとき、サファイア基板２ａの傾斜している表面に対する法線方向にｃ軸が向くように圧電薄膜２ｂを成膜する。例えば、スパッタリングのターゲットをサファイア基板２ａの傾斜した表面に対する法線方向に配置し、サファイア基板２ａの表面の法線方向からスパッタ粒子がサファイア基板２ａに入射される垂直入射スパッタ法を用いる。このような方法によってスパッタリングを行うと、圧電薄膜２ｂのｃ軸がサファイア基板２ａの傾斜した表面に対する法線方向と一致する。

そして、図１１（ｃ）に示すように圧電薄膜２ｂの表面を例えばＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）などによって平坦化し、圧電薄膜２ｂの表面がサファイア基板２ａの裏面と平衡となるようにする。これにより、圧電薄膜２ｂの表面に対してｃ軸が傾斜角を持った状態となる。この後、図示しないが、圧電薄膜２ｂの表面にＩＤＴ３からのＳＡＷの伝播方向Ａ１が圧電薄膜２ｂのｃ軸の傾斜方向Ａ２に向くようなマスクを用いたパターニングを行うことで、本実施形態にかかるＳＡＷ素子１を製造できる。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対してウェハ状態におけるＳＡＷ素子１の配置場所に対応したＩＤＴ３および反射器４のレイアウト方法を規定したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

圧電薄膜２ｂをウェハ状態のサファイア基板２ａ上に形成する場合、ウェハの中央に向かって圧電薄膜２ｂのｃ軸が傾斜する場合がある。例えば、圧電薄膜２ｂを形成する際に、ウェハ状態のサファイア基板２ａを自転させつつ、スパッタリングのターゲットに対して公転させるようにして圧電薄膜２ｂを形成することができるが、自転に起因してウェハの中央に向かって圧電薄膜２ｂのｃ軸が傾斜する。

このような場合には、図１２に示すように、ウェハ状態のサファイア基板２ａおよびその上に形成した圧電薄膜２ｂに対して、それらの中央に向かう方向にＩＤＴ３および反射器４の配列方向が向くようにして、各ＳＡＷ素子１のレイアウトを規定する。このようにすれば、各ＳＡＷ素子１のＳＡＷの伝播方向が圧電薄膜２ａのｃ軸の傾斜方向に向くようすることができる。

（第５実施形態）
本発明の第５実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対してサファイア基板２ａの表面の結晶性に基づいて圧電薄膜２ｂのｃ軸に傾斜角を持たせる製造方法としたものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図１３（ａ）に示すように、サファイア基板２ａとして、サファイア基板２ａの表面に対してｃ軸が傾斜させられたものを用いる。そして、図１３（ｂ）に示すように、この上に圧電薄膜２ｂを成膜する。このとき、下地となるサファイア基板２ａの結晶性が引き継がれ、サファイア基板２ａの結晶軸に沿って圧電薄膜２ｂが形成されるようにする。これにより、サファイア基板２ａのｃ軸と圧電薄膜２ｂのｃ軸が一致し、圧電薄膜２ｂのｃ軸も圧電薄膜２ｂの表面に対して傾斜角を持った状態となる。このような製造方法としても、第１実施形態と同様の構造のＳＡＷ素子１を形成することができる。

（第６実施形態）
本発明の第６実施形態について説明する。本実施形態も、第１実施形態に対して圧電薄膜２ｂのｃ軸に傾斜角を持たせる製造方法の一例を示すものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図１４（ａ）に示すように、サファイア基板２ａの上にＳｃＡｌＮなどによって構成される圧電薄膜２ｂのシード層２ｂａを形成する。サファイア基板２ａについては、ｃ軸が表面に対する法線方向に向けられているものを用いている。シード層２ｂａについては、圧電薄膜２ｂと同じ材料で構成しており、スパッタリングのターゲットをサファイア基板２ａの表面の法線方向からずらし、スパッタ粒子が斜めに入射されるようにする斜め入射スパッタ法を用いて形成する。これにより、シード層２ｂａの表面に対してｃ軸が傾斜させられた状態となる。その後、スパッタリングのターゲットをサファイア基板２ａの表面の法線方向に配置し、スパッタ粒子がシード層２ｂａの表面に対して垂直に入射される垂直入射スパッタ法にて、図１４（ｂ）に示すようにシード層２ｂａの上に圧電薄膜２ｂの残部２ｂｂを成膜する。これにより、下地となるシード層２ｂａの結晶性が引き継がれるように残部２ｂｂが成膜され、残部２ｂｂのｃ軸はシード層２ｂａのｃ軸と同様、表面に対して傾斜させられた状態となる。

シード層２ｂａを成膜する際には、斜め入射スパッタ法を用いているが、垂直入射スパッタ法と比較して成長レートが遅い。このため、圧電薄膜２ｂの成膜初期時には斜め入射スパッタ法にてシード層２ｂａを形成し、その後に、成長レートが早い垂直入射スパッタ法にて圧電薄膜２ｂの残部２ｂｂを形成することで、圧電薄膜２ｂの全体の成膜時間を短縮できる。このような製造方法としても、第１実施形態と同様の構造のＳＡＷ素子１を形成することができる。

（他の実施形態）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

例えば、上記実施形態では、圧電薄膜２ａとして、ＳｃＡｌＮを例に挙げたが、圧電定数が高く、高温でも機能する他の材料、例えばＺｎＯなどを用いることもできる。

また、上記各実施形態で説明したＩＤＴ３や反射器４の上面レイアウトは一例であり、他のレイアウトであっても良い。また、ＩＤＴ３や反射器４を覆うように、圧電薄膜２ｂの上にＳｉＮなどで構成される防湿膜を形成することもできる。このような防湿膜を形成することで、ＩＤＴ３や反射器４への水分の侵入を防げるため、水分によるＳＡＷ素子１の特性変動などを抑制できる。

また、上記各実施形態では、反射器４によってＩＤＴ３から伝播されたＳＡＷを反射器４で反射させると共に、その反射波をＩＤＴ３に返し、反射してきたＳＡＷをＩＤＴ３で検知して、物理量に対応する出力を発生させる構成としている。これにより、ＩＤＴ３と反射器４との間によって構成される伝播路でＳＡＷを往復させることで遅延時間を長くでき、より物理量の検知精度を高めることが可能になる。また、１つのＩＤＴ３によって、入力信号に基づいてＳＡＷを発生させる入力電極とＳＡＷを検知して物理量に対応する遅延時間を含む出力信号を発生させる出力電極としての役割を果たすことが可能になる。しかしながら、この構造はＳＡＷ素子１の構成の一例を示したに過ぎない。例えば、図１５に示すように、反射器４を備えることなく、反射器４の部分に出力電極２０を備えた構造とすることができる。このような構造の場合、入力電極を構成するＩＤＴ３から伝播路を通じて伝播されてきたＳＡＷをＩＤＴ３に対して伝播路と反対側に配置された出力電極２０によって検知することになる。

さらに、上記各実施形態では、ＳＡＷ素子１を物理量センサに適用する場合を例に挙げて説明したが、物理量センサに限らず、他のものに適用することもできる。例えば、ＳＡＷ素子１をフィルタに適用することも可能である。

１ ＳＡＷ素子
２ａ サファイア基板
２ｂ 圧電薄膜
２ｂａ シード層
２ｂｂ 圧電薄膜の残部
３ ＩＤＴ
４ 反射器
５ 制御装置

Claims (9)

1. 圧電材料で構成される圧電薄膜（２ｂ）が形成された基板（２）と、
   前記圧電薄膜の表面上において、前記圧電薄膜の表面内における一方向に延設された互いに平行な歯を有する２つの櫛形電極（３ａ、３ｂ）を、前記２つの櫛形電極それぞれの歯が交互に並ぶように対向して配置することにより構成され、入力信号が入力されると前記圧電薄膜の圧電効果に基づいて所定波長の弾性表面波を励起させ、前記圧電薄膜に備えられる伝播路に伝播させる入力電極（３）と、
   前記伝播路を通じて伝播された前記弾性表面波を検知し、出力信号を発生させる出力電極（３、２０）と、を有する弾性表面波素子であって、
   前記圧電薄膜の表面に対して該圧電薄膜のｃ軸が該圧電薄膜の表面の法線方向に対して所定の傾斜角で傾斜させられており、前記弾性表面波の伝播方向が前記圧電薄膜のｃ軸の傾斜方向に向けられていることを特徴とする弾性表面波素子。
2. 前記ｃ軸の傾斜方向と前記弾性表面波の伝播方向とのなす角度Δθが６０°以下であることを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波素子。
3. 前記ｃ軸の傾斜角が１．５°以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の弾性表面波素子。
4. 前記伝播路を挟んで前記入力電極と反対側に反射器（４）が配置され、該反射器で反射された前記弾性表面波が前記伝播路を通じて前記入力電極に返され、前記入力電極を前記出力電極として前記弾性表面波を検知し、前記出力信号を発生させることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つ記載の弾性表面波素子。
5. 前記入力信号として、前記弾性表面波のモードがセザワ波となる信号が用いられることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の弾性表面波素子。
6. 前記基板は、サファイア基板（２ａ）の上に前記圧電薄膜が形成されたものであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の弾性表面波素子。
7. 前記サファイア基板として表面がｃ面のものが用いられ、該サファイア基板上に、ＳｃＡｌＮにて構成された前記圧電薄膜が形成されており、前記サファイア基板のａ軸のうち前記ｃ軸の傾斜方向と対応するａ軸に向けられていることを特徴とする請求項６に記載の弾性表面波素子。
8. 請求項１ないし７のいずれか１つに記載の弾性表面波素子を有し、
   印加された物理量に応じて前記伝播路の長さが変化することに基づいて、前記入力信号と前記出力信号との間の時間間隔である遅延時間より前記物理量の検出を行うことを特徴とする物理量センサ。
9. 請求項６または７に記載の弾性表面波素子の製造方法であって、
   前記サファイア基板の表面の法線方向に対してスパッタ粒子が傾斜して入射される斜め入射スパッタ法によって、前記サファイア基板上に、ｃ軸が前記サファイア基板の表面の法線方向に対して傾斜させられた前記圧電薄膜のシード層（２ｂａ）を成膜する工程と、
   前記サファイア基板の表面の法線方向からスパッタ粒子が入射される垂直入射スパッタ法によって、前記シード層上に、ｃ軸が前記サファイア基板の表面の法線方向に対して傾斜させられるように前記圧電薄膜の残部（２ｂｂ）を成膜する工程と、を含んでいることを特徴とする弾性表面波素子の製造方法。
   

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